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2025年2月27日，学术期刊*The Plant Genome*在线发表了题为“Landscape of rare-allele variants in cultivated and wild soybean genomes”（栽培与野生大豆基因组稀有等位基因变异图谱）的研究论文。该研究由来自中美两国多个研究机构的科研人员合作完成，主要作者包括Zhi Liu（刘智，第一作者）、Long Yan（严龙，并列通讯作者）和Qijian Song（宋启建，并列通讯作者），其所在机构分别为河北省农林科学院粮油作物研究所，以及美国农业部农业研究署（USDA-ARS）大豆基因组学与改良实验室等。本研究通过对1556份大豆种质资源进行全基因组测序数据的系统性分析，首次在全基因组尺度上全面描绘并注释了栽培大豆（*Glycine max*）和野生大豆（*Glycine soja*）中的稀有等位基因变异（Rare-allele variant）图谱，揭示了驯化与人工选择对大豆遗传多样性的深刻影响及其潜在的育种价值。
本研究属于植物基因组学与作物遗传改良的交叉领域。稀有等位基因变异通常指在群体中出现频率低于1%（或0.5%、0.1%）的遗传变异。在人类和部分植物研究中，已有证据表明稀有等位基因变异虽然频率低，但其对复杂性状的遗传贡献可能具有更大的单位点效应，并与疾病风险、环境适应性等重要表型相关。然而，在作物基因组中，稀有等位基因变异的全基因组分布、功能注释及其在驯化过程中的动态变化一直缺乏系统性研究。大豆作为全球最重要的油料和蛋白作物之一，其遗传基础在长期驯化和现代育种过程中经历了严重的瓶颈效应，导致栽培大豆的遗传多样性显著低于其野生祖先。理解栽培大豆中保留的稀有变异，是挖掘其潜在有利基因、拓宽育种遗传基础、应对未来生物与非生物胁迫挑战的关键。
本研究的核心目标是：1) 对1556份栽培与野生大豆基因组中的遗传变异进行全面鉴定与功能注释，特别关注稀有等位基因变异；2) 比较栽培大豆与野生大豆群体之间稀有等位基因变异的数量、分布、频率及功能特征的差异；3) 评估驯化和选择如何改变了稀有等位基因变异的格局；4) 以抗虫基因为例，探讨稀有等位基因变异在重要性状相关基因中的潜在作用。最终，旨在构建一个大豆全基因组稀有等位基因变异的公共资源平台，为未来大豆遗传研究和分子育种提供数据支撑。
本研究遵循了严谨的生物信息学分析流程，主要包括数据获取、变异鉴定、功能注释、比较分析与案例研究五个核心步骤。
步骤一：基因型数据的获取与预处理。 研究团队利用已发表及由USDA-ARS贝茨维尔实验室生成的共1556份大豆（包括栽培和野生）全基因组重测序数据。这些材料来源广泛，覆盖38个国家，成熟期组从0到X组不等，构成了一个遗传多样性丰富的群体。研究人员基于这些数据，通过对参考基因组（Williams 82 assembly Wm82a2v1）进行比对，初步获得了约3000万个单核苷酸多态性（SNP）。为保障分析质量，研究者进行了严格的过滤：剔除仅有一个等位基因或仅存在杂合型的SNP；剔除三等位基因位点；剔除缺失率和杂合率高于30%的位点；并特别去除了在1556份材料中次要等位仅出现在2个或更少样本中的SNP，以减少假阳性。最终，以次要等位频率（MAF）小于1%作为标准，定义了本研究中的“稀有等位基因变异”。
步骤二：基因组变异的全面功能注释。 为理解变异的潜在生物学影响，研究人员使用ANNOVAR软件对所有鉴定出的SNP进行了细致的基因组位置和功能注释。注释基于Gmax_275_v2.0参考基因组的基因模型文件进行。每个变异被分类到不同的基因组区域，包括：下游（downstream）、外显子（exonic）、外显子剪接区（exonic-splicing）、基因间区（intergenic）、内含子（intronic）、上游（upstream）、3‘非翻译区（3’ UTR）、5‘非翻译区（5’ UTR）。同时，对于位于编码区的变异，进一步注释其突变类型，如同义突变（synonymous）、错义突变（missense）、终止密码子获得（stop gain）、终止密码子丢失（stop loss）等。
步骤三：稀有等位基因变异的鉴定与分布分析。 在完成注释的基础上，研究人员分别从栽培大豆群体和野生大豆群体中提取出符合MAF%标准的稀有等位基因变异。接着，他们详细分析了这些稀有变异在20条染色体上的数量与密度分布，并特别关注了它们在异染色质区域（heterochromatic region）和常染色质区域（euchromatic region）的分布差异。此外，还系统统计了稀有变异在不同基因结构区域（如外显子、内含子、UTR等）的富集情况。
步骤四：栽培与野生群体间的比较与进化分析。 这是本研究的核心分析环节。首先，比较了两个群体中所有变异及稀有变异的总体数量。其次，通过分析两个群体共享的变异位点，追踪了其等位基因频率在驯化过程中的动态变化：例如，一个在野生大豆中常见的变异，在栽培大豆中是否变成了稀有变异？或者在野生大豆中稀有的变异，在栽培大豆中频率是升高了还是丢失了？通过计算，研究者量化了由频率下降（从低频或常见变为稀有）和由新生突变（仅在栽培大豆中出现）所贡献的稀有变异比例。此外，还对所有变异（包括常见和稀有）的碱基替换模式（转换/颠换比率）进行了分析。
步骤五：以抗虫基因为例进行功能案例研究。 为探索稀有变异在重要性状相关基因中的潜在意义，研究者选取了一个功能相对明确的目标基因集——抗虫相关基因。他们从基因组注释中筛选了编码蛋白酶抑制剂、植物凝集素、淀粉酶抑制剂、几丁质酶和NBS-LRR蛋白的基因，共673个。随后，分析了这些基因在栽培和野生群体中携带的变异总数、导致氨基酸改变的变异数、以及其中稀有变异的数量和功能影响，并将这些数据与全基因组平均水平进行对比，以评估抗虫基因是否具有独特的变异模式。
本研究的特色在于其分析流程的全面性与系统性，并未涉及新发明的实验方法或算法，而是通过整合大规模公共及自产数据集，应用成熟的生物信息学工具，进行了一次深度的“数据挖掘”与“知识发现”。所有注释数据均已公开共享于SoyBase数据库，为后续研究提供了宝贵资源。
本研究取得了以下一系列系统性、多层次的研究结果，数据详实，逻辑连贯。
结果一：大规模变异鉴定与稀有变异数量特征。 对1556份大豆基因组的分析，共在栽培大豆群体中鉴定出13,651,475个变异，在野生大豆群体中鉴定出16,505,265个变异。重要的是，其中稀有等位基因变异（MAF%）的数量在两个群体中差异巨大：栽培大豆中高达6,533,419个，而野生大豆中仅为941,274个。这意味着，尽管野生大豆的总变异数比栽培大豆多约20%，但栽培大豆中的稀有变异数量却是野生大豆的近7倍。从比例上看，稀有变异占栽培大豆所有SNP的47.9%，而在野生大豆中仅占5.7%。这一结果直观地表明，驯化过程在减少总遗传多样性的同时，也极大地改变了变异等位基因的频率谱，导致栽培大豆群体中积累了异常高比例的稀有变异。
结果二：稀有等位基因变异的基因组分布特征。 在基因组分布上，稀有变异表现出明显的非随机性。无论是在栽培大豆还是野生大豆中，稀有变异都更倾向于分布在基因间区和非编码区（如内含子），而不是在外显子等编码区。具体数据显示，在栽培大豆中，76.35%的稀有变异位于基因间区；在基因内部，内含子区域也承载了最多的稀有变异（占基因内变异的36.02%）。此外，稀有变异在异染色质区域的富集程度略高于其在基因组中的占比（约52.82%）。例如，在栽培大豆中，53.33%的稀有变异位于异染色质区。研究者分析认为，这可能与异染色质区选择压力较弱、重组率较低、突变率较高等因素有关。对染色体分布的进一步分析显示，稀有变异在某些染色体（如第5、18、20号染色体）上形成了密集的簇，这些“热点”区域可能与关键功能基因（如研究中举例的胚胎发育必需基因SMO1）受到强烈的净化选择有关，其有害突变被限制在极低频率，并通过连锁不平衡效应扩展了稀有变异的簇范围。
结果三：导致功能改变的稀有变异比例。 尽管稀有变异多位于非编码区，但仍有相当数量直接影响了蛋白质功能。在栽培大豆的6,533,419个稀有变异中，有121,450个（1.86%）导致了错义、终止密码子获得或丢失突变，这些突变影响了36,213个基因。在野生大豆的941,274个稀有变异中，有20,645个（2.19%）导致了类似的功能改变，影响了12,332个基因。这表明，稀有变异构成了一个庞大的、可能对基因功能产生实质性影响的遗传变异库，其中蕴藏着大量未被充分认识的潜在功能等位基因。
结果四：驯化驱动的等位基因频率动态变化。 通过对两个群体共享变异位点的MAF比较，研究清晰地揭示了驯化的遗传印记。在栽培大豆中发现的6,533,419个稀有变异里，有5,281,690个在野生大豆中也存在。分析这些共享变异在野生群体中的频率发现：仅有11.25%（608,392个）在野生大豆中同样是稀有的；而高达71.53%的变异在野生大豆中原本是低频（1%< MAF ≤5%）或常见（MAF >5%）变异，只是在驯化过程中频率大幅下降，在栽培大豆中变成了稀有变异。此外，还有19.16%的栽培大豆稀有变异是野生大豆中不存在的新生突变。反之，在野生大豆的稀有变异中，约64.63%在栽培大豆中仍保持稀有，约30.97%的频率上升成为低频或常见变异，其余则可能在栽培大豆中丢失。这些数据强有力地证明，驯化和人工选择通过大幅降低多数变异的等位基因频率（瓶颈效应），并伴随新生突变的积累，共同塑造了栽培大豆独特的稀有变异景观。
结果五：抗虫基因中稀有变异的富集现象。 案例研究发现，抗虫相关基因中的变异模式具有特殊性。在673个抗虫基因中，导致氨基酸改变的变异比例以及导致氨基酸改变的稀有变异比例，均显著高于全基因组的平均水平（约为2.4倍）。例如，在栽培大豆中，这些基因内导致氨基酸改变的稀有变异比例更高。研究者推测，这可能是大豆在漫长的驯化历史中，为应对频繁变化的昆虫种类和种群压力而产生的一种适应性反应，暗示这些基因中的稀有变异可能在抗虫性多样性中扮演重要角色。
本研究得出以下核心结论： 1. 首次绘制了全面的大豆稀有等位基因变异图谱：研究提供了栽培大豆和野生大豆中数百万个稀有变异的精确位置和功能注释，填补了该领域的空白。 2. 揭示了驯化对遗传多样性频率谱的深刻重塑：驯化和选择不仅减少了总变异数量，更关键的是极大地降低了多数变异的等位基因频率，导致栽培大豆中积累了六倍于野生大豆的稀有变异。这些稀有变异主要源于原有低频/常见变异的频率下降，以及部分新生突变。 3. 阐明了稀有变异的非随机分布规律：稀有变异倾向于富集在异染色质和非编码区域，这与其承受较弱的选择压力相一致。但同时，仍有数以万计的稀有变异直接改变了蛋白质序列，构成了一个庞大的功能变异储备库。 4. 指明了稀有变异在大豆改良中的潜在价值：稀有变异中可能蕴藏着与抗逆性、产量、适应性等重要性状相关的关键等位基因。研究特别指出抗虫基因中功能改变的稀有变异更为富集，这为针对性挖掘抗性基因资源提供了线索。
本研究的科学价值在于，它从“稀有等位基因”这一独特视角，深化了对大豆驯化遗传学后果的理解，将传统的“多样性减少”认知推进到“频率谱重塑”的更深层次。其应用价值则体现在构建了一个公开可访问的综合性数据资源（发布于SoyBase），为全球大豆研究人员进行基因功能鉴定、关联分析、等位基因挖掘和分子标记开发提供了强大的数据基础，有助于加速大豆遗传改良进程，应对未来粮食安全挑战。
研究还报告了其他有价值的观察：例如，在所有变异（包括常见和稀有）中，碱基转换（C-T， G-A）与颠换的比例约为2:1（67% vs 33%），这一模式在栽培与野生群体间以及不同频率变异间均保持一致，反映了基因组突变的基本特征。此外，文中展示的染色体分布热图、基因结构分布图等，直观呈现了遗传变异的宏观格局，为进一步的局部区域深入研究提供了指引。